製造上の落とし穴の90％を回避する6つの実践的なPCB設計のヒント！初心者でもすぐに始められます

回路設計では、多くの人が回路図と部品選択にすべてのエネルギーを集中し、PCBレイアウトと配線段階を急いで終わらせます。その結果、工場での生産中に頻繁にエラーが発生したり、短期間の使用後に回路基板が誤動作したりします。過熱、信号干渉、はんだ付け不良など、これらの問題は、実際には科学的な設計を通じて事前に回避できます。今日は、PCB設計のコア技術を分解し、製造可能で機能的に安定した回路基板を迅速に作成するのに役立ちます！

I. 部品配置：単なる整然さだけでなく、はんだ付けと使いやすさ

部品配置はPCB設計の基礎であり、回路ロジックへの準拠と生産プロセスとの互換性の両方が必要です。多くの初心者は「整然とした外観」だけを追求し、実際のはんだ付けと組み立ての要件を無視しています。

統一された方向は時間を節約します

抵抗やコンデンサなどの類似した部品を同じ方向に配置すると、はんだ付け中の機械による頻繁な角度調整の必要性が減り、効率が向上し、コールドはんだ接合や誤ったはんだ付けの可能性が減少します。異なるサイズの部品は互いに邪魔にならないようにする必要があります。

小さな部品を大きな部品の真下または後ろに直接配置しないでください。そうしないと、大きな部品をはんだ付けする際に、小さな部品が邪魔になり、「影の領域」ができてはんだ付けを妨げます。

部品を分類して組み立てを簡素化します。
表面実装（SMT）部品を回路基板の同じ側に配置し、スルーホール（TH）部品を上部に集中させてください。これにより、工場での組み立て中の繰り返し反転が回避され、生産コストが削減されます。2種類の部品を一緒に使用する必要がある場合は、事前に追加の組み立てプロセスコストを考慮してください。

II. トレース設計：電源、グランド、および信号ルートは細心の注意を払う必要があります。

部品を配置した後、電源、グランド、および信号トレースの配線を計画します。これは回路の安定性に直接影響します。多くの信号干渉と電源の不安定性の問題は、配線の問題に起因しています。

内層の電源とグランド層。
回路基板内に電源層とグランド層を配置し、対称性と中心性を維持します。これにより、回路基板の曲がりを防ぎ、より正確な部品配置が可能になります。チップに電力を供給する場合は、太いトレースを使用し、デイジーチェーン接続（部品を直列に接続すること）を避けて、電圧の不安定性を防ぎます。

信号トレースは「短く、まっすぐ」にする必要があります。部品間の信号トレースは、可能な限り最短のパスに従う必要があります。曲がりよりも直接接続が望ましいです。部品を水平に固定する必要がある場合は、トレースを短距離水平に走らせてから垂直に曲げます。これにより、はんだ付け中のはんだの流れが部品のずれを引き起こすのを防ぎます。逆に、最初にトレースを垂直に走らせると、部品が傾く可能性があります。

トレース幅は電流に従う必要があります。通常の低電流信号（デジタル信号やアナログ信号など）の場合、0.010インチ（10mil）幅のトレースで十分です。電流が0.3アンペアを超える場合は、トレース幅を増やす必要があります。電流が大きいほど、過熱や焼損を防ぐためにトレース幅を広くする必要があります。

III. 絶縁設計：デジタル、アナログ、および電源は分離する必要があります。

高電圧、高電流の電源回路は、敏感な制御回路またはアナログ回路に容易に干渉し、「信号ジッター」の問題を引き起こす可能性があります。適切な絶縁は干渉を大幅に削減します。

電源グランドと制御グランドは分離する必要があります。各電源の電源グランドと制御グランドは、混合せずに個別に配線する必要があります。接続が必要な場合は、干渉伝導を避けるために、電源パスの最後にのみ行う必要があります。デジタル回路とアナログ回路の厳密な絶縁

回路基板にデジタル回路（マイクロコントローラーなど）とアナログ回路（センサーなど）が含まれている場合は、それらを個別にレイアウトし、中間層のグランドプレーンに適切なインピーダンスパスを提供する必要があります。アナログ信号はアナロググランド上のみを移動し、容量性結合干渉を減らすためにデジタルグランドと交差してはなりません。

IV. 放熱：熱で回路基板を破壊させないでください

多くの回路基板は、一定期間の使用後に性能が低下したり、焼損したりします。これは、ほとんどの場合、不十分な放熱が原因です。これは、熱の蓄積が寿命に深刻な影響を与える可能性がある電源部品に特に当てはまります。

「熱の巨人」を特定する

部品のデータシートで熱抵抗（TRT）パラメータを確認します。TRTが低いほど、放熱が向上します。高電力部品（トランジスタやパワーチップなど）を敏感な部品から遠ざけ、必要に応じてヒートシンクまたは小型ファンを追加します。

ホットエアパッドが重要です

スルーホール部品は、ホットエアパッドを使用する必要があります。これにより、ピンの放熱が遅くなり、はんだ付け中の十分な温度が確保され、コールドはんだ接合が防止されます。さらに、「ティアドロップ」パッドをパッドとトレースの接続ポイントに追加すると、銅箔のサポートが強化され、熱的および機械的ストレスが軽減されます。

典型的なホットエアパッド接続方法

V. ホットエアパッド：はんだ付け不良に対する「魔法のツール」

多くの初心者は、ホットエアパッドの機能を知らず、オープン回路、コールドはんだ接合、およびはんだ接合不良が発生し、オーブン温度を繰り返し調整しても解決できません。問題の根本原因は、配線設計にあります。

電源またはグランドの銅箔の広い領域はゆっくりと加熱され、急速に放熱します。小さな部品（0402パッケージの抵抗やコンデンサなど）のはんだリードが大きな銅箔に直接接続されている場合、はんだ付け中に温度がはんだの融点に達せず、コールドはんだ接合が発生します。手動はんだ付け中、熱は急速に伝導され、はんだ付けの成功も妨げられます。

ホットエアパッドの原理は簡単です。パッドをいくつかの細い銅ストリップを介して銅箔の広い領域に接続することで、電気伝導性が確保され、放熱面積が削減されます。これにより、パッドははんだ付け中に十分な温度を維持し、はんだがパッドにしっかりと付着するようにします。

VI. 設計チェック：最終ステップを省略しないでください

設計が完了したら、必ず二重チェックを実行してください。そうしないと、小さなエラーでも回路基板全体が使用できなくなる可能性があります。

まず、「ルールチェック」を実行します。設計ソフトウェアの電気ルールチェック（ERC）および設計ルールチェック（DRC）機能を使用して、トレース幅、間隔、短絡、未配線ネットワークなどをチェックし、製造要件への準拠を確認します。

次に、信号ごとに検証します。回路図からPCBまで、各信号線の接続を確認して、省略やエラーがないようにします。ソフトウェアのシールド機能を使用して、レイアウトが回路図と一致することを確認します。

結論

PCB設計は複雑に見えるかもしれませんが、その核心は「製造可能性」と「安定性」を中心に展開しています。部品を適切に配置し、短くて広いトレースを確保し、適切な絶縁と放熱を実装し、ホットエアパッドを効果的に利用し、最後に徹底的なチェックを実施する—これらの6つのステップは、ほとんどの落とし穴を回避するのに役立ちます。

初心者は、最初から完璧を目指す必要はありません。まずこれらの基本的なスキルを習得し、実際のプロジェクトと組み合わせて最適化してください。すぐに高品質の回路基板を設計できるようになります。優れたPCB設計は、生産コストを削減するだけでなく、回路の性能をより安定させ、寿命を延ばすことも忘れないでください。